(57)【要約】【課題】燃料噴射弁や燃料ポンプなどをＧＴＬ燃料に用いた場合でも、摺動部材間の摩擦抵抗を低減することができ、これら装置の耐久信頼性を高めることができるＧＴＬ燃料潤滑摺動部材を提供する。【解決手段】ＧＴＬ燃料の存在下で互いに摺動する部材の一方又両方の摺動面に、水素含有量の低い、例えばダイヤモンドライクカーボンのような硬質炭素薄膜から成る被覆を施す。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧＴＬ燃料の存在下で互いに摺動する燃料潤滑摺動部材であって、当該部材における摺動面の一方又は双方に水素含有量が３０原子％以下の硬質炭素薄膜を備えていることを特徴とするＧＴＬ燃料潤滑摺動部材。
【請求項２】
上記硬質炭素薄膜の水素含有量が５原子％以下であることを特徴とする請求項１に記載のＧＴＬ燃料潤滑摺動部材。
【請求項３】
上記硬質炭素薄膜の水素含有量が０．５原子％以下であることを特徴とする請求項１に記載のＧＴＬ燃料潤滑摺動部材。
【請求項４】
上記硬質炭素薄膜がアーク式イオンプレーティング法により製膜された硬質炭素薄膜であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載のＧＴＬ燃料潤滑摺動部材。
【請求項５】
上記ＧＴＬ燃料が、潤滑性向上剤として脂肪酸エステル系化合物及び／又は脂肪族アミン系化合物を含有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載のＧＴＬ燃料潤滑摺動部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用の燃料潤滑摺動部材、すなわち燃料噴射弁におけるニードルバルブ、バルブガイド、ノズル、ハウジングなどのように、燃料の存在下で互いに摺動する部材に係わり、特に、ＧＴＬ燃料中で互いに摺動するＧＴＬ燃料潤滑摺動部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、排ガスによる環境問題の観点から、天然ガスを原料とするＧＴＬ（Ｇａｓ  ｔｏ  Ｌｉｑｕｉｄ）と呼ばれる液体燃料が新たなエネルギー源として注目されている。
このＧＬＴは、ＬＮＧと同様に硫黄分や芳香族分を含まないクリーンな燃料であって、ディーゼルエンジン用燃料としては、従来の軽油に数％から１００％（ＧＴＬのみ）の範囲で混合したものが使用され始めている。
【０００３】
一方、上記した燃料噴射弁や燃料噴射ポンプなどにおいて、燃料中で摺動する部材に関しては、ガソリン以外の燃料を使用した場合に、摺動部や衝突部に発生する異常摩耗対策として、摺動部に窒化クロムや窒化チタンなどの硬質被膜を形成した燃料噴射弁が提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−６３１３５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１に記載された燃料噴射弁においては、アルコール燃料に対する耐久性を主眼に検討されたものであって、摩擦特性、とくに上記のようなＧＴＬ燃料の介在下における摩擦特性や耐摩耗性についての考慮はなされておらず、ＧＴＬ燃料の存在下で摺動する部材の摩擦抵抗のさらなる低減が求められていた。
【０００６】
本発明は、従来の燃料潤滑摺動部材をＧＴＬ燃料に適用した場合における上記のような課題に着目してなされたものであって、その目的とするところは、ＧＴＬや、当該ＧＴＬ燃料が配合された軽油を用いた場合においても、摺動部材間の摩擦抵抗を低減して、部材の摩耗を少なくすることができ、もって上記のような燃料系部品の耐久信頼性を高めることができるＧＴＬ燃料潤滑摺動部材を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、部材の摺動面の一方又は双方に、ダイヤモンドライクカーボン（以下、「ＤＬＣ」と称する）などの硬質炭素薄膜から成る低水素含有量の被覆を施すことによって、ＧＴＬ燃料を介して摺動する摺動面の摩擦係数を低減し、摺動部の摩耗量を大幅に低下できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
本発明のＧＴＬ燃料潤滑摺動部材は、上記知見に基づくものであって、ＧＴＬ燃料の存在下で互いに摺動する燃料潤滑摺動部材の摺動面の少なくとも一方に、硬質炭素薄膜を備えており、当該硬質炭素薄膜の水素含有量が３０原子％以下、好ましくは５原子％以下、さらに好ましくは０．５原子％以下であることを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について、更に詳細に説明する。なお、本明細書において「％」は、特記しない限り質量百分率を示すものとする。
【００１０】
本発明のＧＴＬ燃料潤滑摺動部材は、上記したように、１００％ＧＴＬ燃料、あるいはＧＴＬを含む軽油を燃料とするディーゼルエンジンに適用される燃料噴射弁や燃料ポンプなどの構成部材のうち、このようなＧＴＬ燃料が介在した状態で互いに摺動する部材であって、これら部材の摺動面のいずれか一方、あるいはその両方に水素含有量が３０原子％以下の硬質炭素薄膜を備えていることから、燃料介在下における部材間の摩擦係数が低減し、燃料潤滑摺動部材の摩耗量が少なくなって、これら部材を備えた燃料噴射弁など燃料系機械装置の耐久信頼性が確保されることになる。
なお、本発明において「ＧＴＬ燃料」とは、上記したように、数％から１００％のＧＴＬを含む燃料を意味するものとする。
【００１１】
図１は、このようなＧＴＬ燃料潤滑摺動部材の例を示す燃料噴射弁の概略断面図であって、図に示す燃料噴射弁１は、ハウジング２の中心部にニードルバルブ３を備え、当該ニードルバルブ３は、ハウジング２の先端寄りに設けたバルブガイド４に案内されて進退し、燃料の噴射停止時には、先端部に配設したノズル５の開口縁部に圧接するようになっている。
【００１２】
したがって、ニードルバルブ３は、作動に際してバルブガイド４の内周面に摺動すると共に、ノズル５に衝突することから、ニードルバルブ３の外周面に上記のような硬質炭素薄膜の被覆を施すようにする。
このとき、当該ニードルバルブ３の相手摺動部材、すなわちバルブガイド４及びノズル５の摺動面に硬質炭素薄膜を成膜してもよく、当然これら部材の双方に硬質炭素薄膜を形成することも可能である。
【００１３】
上記硬質炭素薄膜としては、例えば炭素原子を主として構成されるＤＬＣ材料を用いることができ、例えばプラズマＣＶＤ法により成膜することができる。
このＤＬＣ材料は、非晶質のものであって、炭素同士の結合形態がダイヤモンド構造（ＳＰ３結合）とグラファイト結合（ＳＰ２結合）の両方から成る。具体的には、炭素元素だけから成るａ−Ｃ（アモルファスカーボン）、水素を含有するａ−Ｃ：Ｈ（水素アモルファスカーボン）、及びチタン（Ｔｉ）やモリブデン（Ｍｏ）等の金属元素を一部に含むＭｅＣなどを好適に用いることができる。
【００１４】
また、硬質炭素薄膜中の水素含有量が増加すると摩擦係数が増すことから、本発明においては水素含有量を多くとも３０原子％とする必要があるが、ＧＴＬ燃料中での摺動時における摩擦係数を十分に低下させ、さらに安定した摺動特性を確保するためには、５原子％以下、さらには０．５原子％以下とすることが望ましい。
【００１５】
そして、このような水素含有量の低い硬質炭素薄膜は、例えばスパッタリング法やイオンプレーティング法など、水素や水素含有化合物を実質的に使用しないＰＶＤ法によって成膜することによって得られる。
この場合、成膜時に水素を含まないガスを用いるだけでなく、場合によっては反応容器や基材保持具のベーキングや、基材表面のクリーニングを十分に行ったうえで成膜することが被膜中の水素量を減らすために望ましい。
【００１６】
なお、本発明のＧＴＬ燃料潤滑摺動部材において、上記硬質炭素薄膜を成膜するための基材としては、一般に鋼材やアルミニウム合金材、適用部位によっては樹脂材料等を使用することができ、特に限定されない。
【００１７】
上記のようなＧＴＬ燃料は、上記のように、硫黄分や芳香族分を含まないことから、一般に潤滑性が劣る傾向がある。したがって、当該燃料中に潤滑性向上剤を添加することが望ましく、このような潤滑性向上剤としては、脂肪酸エステル系化合物や脂肪族アミン系化合物を好適に用いることができる。
【００１８】
上記脂肪酸エステル系化合物及び／又は脂肪族アミン系化合物としては、炭素数６〜３０、好ましくは炭素数８〜２４、特に好ましくは炭素数１０〜２０の直鎖状又は分枝状炭化水素基を有する脂肪酸エステル、脂肪族アミン化合物、及びこれらの任意混合物を挙げることができる。炭素数が６〜３０の範囲外のときは、摩擦低減効果が十分に得られない可能性がある。
【００１９】
炭素数６〜３０の直鎖状又は分枝状炭化水素基としては、具体的には、へキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基、トリデシル基、テトラデシル基、ペンタデシル基、ヘキサデシル基、ヘプタデシル基、オクタデシル基、ノナデシル基、イコシル基、ヘンイコシル基、ドコシル基、トリコシル基、テトラコシル基、ペンタコシル基、ヘキサコシル基、ヘプタコシル基、オクタコシル基、ノナコシル基、トリアコンチル基等のアルキル基、ヘキセニル基、ヘプテニル基、オクテニル基、ノネニル基、デセニル基、ウンデセニル基、ドデセニル基、トリデセニル基、テトラデセニル基、ペンタデセニル基、ヘキサデセニル基、ヘプタデセニル基、オクタデセニル基、ノナデセニル基、イコセニル基、ヘンイコセニル基、ドコセニル基、トリコセニル基、テトラコセニル基、ペンタコセニル基、ヘキサコセニル基、ヘプタコセニル基、オクタコセニル基、ノナコセニル基、トリアコンテニル基等のアルケニル基などを挙げることができる。
なお、上記アルキル基及びアルケニル基には、考えられる全ての直鎖状構造及び分枝状構造が含まれ、また、アルケニル基における二重結合の位置は任意である。
【００２０】
また、上記脂肪酸エステルとしては、かかる炭素数６〜３０の炭化水素基を有する脂肪酸と脂肪族１価アルコール又は脂肪族多価アルコールとのエステルなどを例示でき、具体的には、グリセリンモノオレート、グリセリンジオレート、ソルビタンモノオレート、ソルビタンジオレートなどを特に好ましい例として挙げることができる。
上記脂肪族アミン化合物としては、脂肪族モノアミン又はそのアルキレンオキシド付加物、脂肪族ポリアミン、イミダゾリン化合物等、及びこれらの誘導体等を例示できる。具体的には、ラウリルアミン、ラウリルジエチルアミン、ラウリルジエタノールアミン、ドデシルジプロパノールアミン、パルミチルアミン、ステアリルアミン、ステアリルテトラエチレンペンタミン、オレイルアミン、オレイルプロピレンジアミン、オレイルジエタノールアミン、Ｎ−ヒドロキシエチルオレイルイミダゾリン等の脂肪族アミン化合物や、これら脂肪族アミン化合物のＮ，Ｎ−ジポリオキシアルキレン−Ｎ−アルキル（又はアルケニル）（炭素数６〜２８）等のアミンアルキレンオキシド付加物、これら脂肪族アミン化合物に炭素数２〜３０のモノカルボン酸（脂肪酸等）や、シュウ酸、フタル酸、トリメリット酸、ピロメリット酸等の炭素数２〜３０のポリカルボン酸を作用させて、残存するアミノ基及び／又はイミノ基の一部又は全部を中和したりアミド化した、いわゆる酸変性化合物等が挙げられる。好適な例としては、Ｎ，Ｎ−ジポリオキシエチレン−Ｎ−オレイルアミン等が挙げられる。
【００２１】
また、ＧＴＬ燃料中に含まれる脂肪酸エステル系化合物及び／又は脂肪族アミン系化合物の量については、特に制限はないが、燃料全量基準で、０．０５〜３．０％であることが好ましく、更に好ましくは０．１〜２．０％、特に好ましくは０．５〜１．４％であることがよい。上記含有量が０．０５％未満であると摩擦低減効果が小さくなり易く、３．０％を超えると燃料中への溶解性や貯蔵安定性が著しく悪化し、沈殿物が発生し易いので、好ましくない。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明を実施例と比較例によって、更に具体的に説明するが、本発明は、これら実施例のみに限定されるものではない。
【００２３】
〔摩擦摩耗試験〕
図２に示すように、摺動側試験片としてピン型試験片１１、相手側試験片としてディスク型試験片１２を用いて、ＳＲＶ試験を行い、以下に示す条件のもとに摩擦係数及びピン型試験片１１の摩耗量を測定した。なお、摩耗量については、後述する実施例３の摩耗量を「１」とする相対値で示した。
摩擦摩耗試験条件
摺動側試験片：φ１８×２２ｍｍピン型試験片（ＳＵＪ２鋼）
相手側試験片：φ２４×７ｍｍディスク型試験片（Ｓ４５Ｃ鋼）
試験装置    ：ＳＲＶ試験装置
周波数      ：５０Ｈｚ
試験温度    ：８０℃
荷重方式    ：４００Ｎ
摺動幅      ：３ｍｍ
試験時間    ：１５分
【００２４】
（実施例１）
ＪＩＳ  Ｇ４８０５に高炭素クロム軸受鋼鋼材として規定されるＳＵＪ２鋼から１２φ×２２ｍｍのピン型試験片基材を切り出し、この基材の表面にＰＶＤアークイオン式イオンプレーティング法によって、水素原子の量が２０原子％のＤＬＣ薄膜を厚さ０．５μｍに成膜し、これを本実施例の摺動側試験片（ピン型試験片）として使用した。
一方、ＪＩＳ  Ｇ４０５１に機械構造用炭素鋼鋼材として規定されるＳ４５Ｃ鋼から２４φ×７ｍｍのディスク型試験片を切り出し、上部表面の表面粗さＲａを０．２μｍに仕上げたものを相手側試験片（ディスク型試験片）として使用し、上記条件によるＳＲＶ試験を実施した。なお、当該実施例においては、潤滑性向上剤を含まないＧＴＬ燃料（軽油を含まず）を摺動側試験片に塗布した状態で性能評価を実施した。その結果を表１に示す。
【００２５】
（実施例２）
上記実施例１と同様のピン型試験片基材の表面にＰＶＤアークイオン式イオンプレーティング法によって、水素原子の量が０．５原子％のＤＬＣ薄膜を厚さ０．５μｍに成膜し、これを本実施例の摺動側試験片として使用した。これ以外は、上記実施例１と同様の条件のもとにＳＲＶ試験を実施した。その結果を表１に併せて示す。
【００２６】
（実施例３）
上記実施例２と同様の摺動側試験片（ピン型試験片）及び相手側試験片（ディスク型試験片）を使用し、エステル系潤滑性向上剤を１％含むＧＴＬ燃料を摺動側試験片に塗布した状態で同様のＳＲＶ試験を実施した。その結果を表１に併せて示す。
【００２７】
（比較例１）
上記実施例１と同様のピン型試験片基材の表面に、Ｃｒメッキ処理を施したものを本例の摺動側試験片として使用し、これ以外は上記実施例１と同様の条件のもとにＳＲＶ試験を実施した。その結果を表１に併せて示す。
【００２８】
（比較例２）
上記実施例１と同様のピン型試験片基材の表面に、ＣｒＮ処理を施したものを本例の摺動側試験片として使用し、これ以外は上記実施例１と同様の条件のもとにＳＲＶ試験を実施した。その結果を表１に併せて示す。
【００２９】
（比較例３）
上記比較例１と同様の摺動側試験片（ピン型試験片）及び相手側試験片（ディスク型試験片）を使用し、エステル系潤滑性向上剤を１％含むＧＴＬ燃料を摺動側試験片に塗布した状態で同様のＳＲＶ試験を実施した。その結果を表１に併せて示す。
【００３０】
（比較例４）
上記比較例２と同様の摺動側試験片（ピン型試験片）及び相手側試験片（ディスク型試験片）を使用し、エステル系潤滑性向上剤を１％含むＧＴＬ燃料を摺動側試験片に塗布した状態で同様のＳＲＶ試験を実施した。その結果を表１に併せて示す。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
上記の結果から明らかなように、ＤＬＣ薄膜を被覆した本発明の実施例においては、ＣｒめっきやＣｒＮ被膜処理を施した比較例に較べて、摩擦係数及び摩耗量が大幅に減少することが確認された。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、天然ガス起源のＧＴＬ燃料の存在下で互いに摺動する部材の一方又両方の摺動面に、水素含有量の少ない硬質炭素薄膜を設けるようにしていることから、ＧＴＬ燃料の存在下で摺動する摺動面における摩擦係数及び摺動抵抗を小さくすることができ、部材の摩耗量を大幅に低減して、燃料噴射弁などの燃料系機械装置の耐久信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＧＴＬ燃料潤滑摺動部材の一例として燃料噴射弁の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の実施例において摩擦係数及び摩耗量の測定に用いたＳＲＶ試験の概略を示す斜視図である。
【符号の説明】
３  ニードルバルブ（ＧＴＬ燃料潤滑摺動部材）
４  バルブガイド（ＧＴＬ燃料潤滑摺動部材）
５  ノズル（ＧＴＬ燃料潤滑摺動部材）
【図１】
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【図２】
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